[發明專利]一種基于多感知系統的電容式觸覺手柄及其制作方法

在審

• 申請號: 202010431354.7
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111467781A
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 劉今越;鄭凱文;田倩倩;李鐵軍;賈曉輝
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: A63B71/06
• 分類號: A63B71/06;G01C9/00;G01L1/14;G01L5/00
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰

本發明為一種基于多感知系統的電容式觸覺手柄及其制作方法，包括圓柱形手柄主體、包裹在手柄主體外表面的電容陣列柔性壓力傳感器，所述手柄主體外表面沿手柄主體長度方向開設有縫隙，將在縫隙周圍的手柄主體內部的區域部分掏空，縫隙與內部掏空區域聯通，用于放置固定在柔性壓力傳感器上的連接線；在手柄主體的頂端裝有用于檢測人手抓握時沿手柄豎直方向的受力情況的拉壓力傳感器，手柄主體內部掏空區域內安裝有慣性測量裝置IMU。該觸覺手柄配備有三種傳感器，抓握時不僅可以對手掌不同區域受力狀態進行實時感知，而且還可以將手部運動狀態動態更新，從而全方位感知操作者意圖。

技術領域

本發明涉及壓力檢測、醫療康復和人機協作等領域，具體是一種基于多感知系統的電容式觸覺手柄及其制作方法。

背景技術

智能機器人技術的快速發展使其逐漸應用在除傳統工業與制造業的其他領域中，人機協作應用場景愈發廣泛。針對具有精確觸覺感知以及完善觸覺反饋系統的人來說，研究其抓握的觸覺體系將是對人機交互中意圖感知的一項重要補充和完善。目前抓握的載體主要是六維力傳感器，但是價格昂貴，普遍幾千上萬元，而且所獲取的抓握姿態與相關信息欠缺，因此，迫切需要一種制作簡易，價格低廉，高精度的裝置來感知人手的抓握姿態與運動趨勢，充分展現人機協作中操作者的意圖。

申請公布號為CN 110531863 A的專利提出了一種基于超級電容感知原理的柔性觸覺手套，運用陣列式電容原理來感知整個手掌和手指的壓力分布。該觸覺手套需要操作人員進行穿戴使用，并不便捷；手套沒有固定的載體，使用過程中容易產生穿戴操作不當損壞電容單元的問題；單一產品不能很好的適應手形大小不同的使用者，進而不能完好的與手掌各個區域貼合，易出現采集數據缺乏丟失等問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明擬解決的問題是，提供一種基于多感知系統的電容式觸覺手柄。該觸覺手柄表面包裹有電容式柔性壓力傳感器，采用陣列式電容原理，并且配備有拉壓力傳感器與慣性測量裝置IMU，抓握時不僅可以對手掌不同區域受力狀態進行實時感知，而且還可以將手部運動狀態動態更新，從而全方位感知操作者意圖。

本發明解決所述技術問題的技術方案是：

一種基于多感知系統的電容式觸覺手柄，包括圓柱形手柄主體、包裹在手柄主體外表面的電容陣列柔性壓力傳感器，其特征在于，所述手柄主體外表面沿手柄主體長度方向開設有縫隙，將在縫隙周圍的手柄主體內部區域部分掏空，縫隙與內部掏空區域聯通，用于放置固定在柔性壓力傳感器上的連接線；在手柄主體的頂端裝有用于檢測人手抓握時沿手柄豎直方向的受力情況的拉壓力傳感器，手柄主體內部掏空區域內安裝有慣性測量裝置IMU，慣性測量裝置IMU用于實時檢測與反映操作者抓握觸覺手柄過程中手柄主體的運動狀態，在三維空間中的角速度和加速度；

拉壓力傳感器、慣性測量裝置IMU、柔性壓力傳感器均與信號采集裝置相連接，通過無線傳輸裝置與上位機連接完成通訊。

本發明還保護一種基于多感知系統的電容式觸覺手柄的制作方法，該方法的步驟是：

(1)電極層的制作

將純棉斜紋布裁剪成大小合適的布塊，并且熨燙平整，將其放置并固定在絲印臺上，已經定制好的絲網印版置于斜紋布上方并與斜紋布間隔高度1.5-2.5cm，在絲網印版上倒入含銀量為60％的石墨烯導電銀漿，用刮板刮至導電銀漿覆蓋整個圖案，重復該步驟2-3次，抬起絲網印版，取下已經印刷好的布塊放入工業用烤箱，直至導電銀漿變干取出；用萬用表測量導電性能，單條電極電阻值在3-3.2歐，且任意兩條電極的電阻值差值不超過0.2歐；分別獲得上下電極層；

(2)傳感器接線

選取上下兩電極層所有平行電極的一端，沿相鄰電極之間的間隙將純棉斜紋布裁剪出合適的長度，采用銅片壓緊的方式對電極與導線進行固定，并對連接處做絕緣處理；

(3)手柄封裝